动态内存管理
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动态内存管理
文章目录
- 动态内存管理
- 前言
- 1. 为什么存在动态内存分配
- 2. 动态内存函数的介绍
-
- 2.1 malloc和free函数
- 2.2 calloc函数
- 2.3 realloc函数
- 3. 常见的动态内存错误
-
- 3.1 对NULL指针的解引用操作
- 3.2 对动态开辟空间的越界访问
- 3.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 3.5 对同一块动态内存多次释放
- 3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 4. 动态内存经典笔试题
-
- 4.1 题目1
- 4.2 题目2
- 4.3 题目3
- 4.4 题目4
- 5. C/C++程序的内存开辟
- 6. 柔性数组
-
- 6.1 柔性数组的特点
- 6.2 柔性数组的使用
- 6.3 柔性数组的优势
前言
在前面我们已经知道了一些使用内存的方式：
- 创建一个变量
- 创建全局变量：在静态区开辟内存
- 创建局部变量：在栈区开辟内存
- 创建一个数组
- 创建全局数组：在静态区开辟内存
- 创建局部数组：在栈区开辟内存
- static修饰的变量
- 在静态区开辟内存
内存的区域划分如下：
1. 为什么存在动态内存分配
在之前我们已经掌握的内存开辟方式有：
int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个字节的连续空间
但是上述的开辟空间的方式有两个特点：
- 空间开辟大小是固定的。
- 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
但是我们对于空间利用的需求，不仅仅是上述的情况。例如：有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。这时候就只能试试动态存开辟了。
2. 动态内存函数的介绍
2.1 malloc和free函数
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc(size_t size);
- 这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间起始位置的指针。
如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
返回值的类型是void*，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候由使用者自己
来决定。如果参数size为0时，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。
C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：
void free(void* ptr);
free函数是用来释放动态开辟的内存的。
如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
配合使用举例：
#include 这里因为ptr被释放掉了，所以ptr指向的空间没有了意义。而ptr在被free释放后还保留着原来这份空间的地址，变成了野指针，为了避免这块空间被错误的使用，我们将ptr置为NULL，赋成空指针，这样就ptr指针就真正的断开了与这块空间的联系。
2.2 calloc函数
C语言还提供了一个函数叫calloc，calloc函数也用来动态内存分配。原型如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);
函数的功能是为num个大小为size的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
与函数malloc的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
用法举例：
#include 
所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。
2.3 realloc函数
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那realloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
函数原型如下：
void* realloc(void* ptr, size_t size);
- ptr是要调整的内存地址。
- size是调整之后新大小。
- 返回值为调整之后的内存起始位置的地址。
- 这个函数在调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
- realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
- 情况1：原有空间之后有足够大的空间
- 要扩展内存就在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
- 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
- 我们想要在原来的内存位置改变内存大小，但是原内存块的后面并没有足够大的空间，那我们扩展的方法就是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用，并且把原来内存中的数据拷贝过来，这样函数返回的是一个新的内存地址。注意在另找一个新空间的同时，原有开辟的内存直接被释放，我们不需要考虑内存泄漏的问题。
用法举例：
#include 这里代码1使用错误，原因是在重新申请内存失败后，realloc会返回空指针，如果用指向原来那份空间的指针来接收，那么指针的值会被改成NULL，原来那份空间的地址丢失，会造成内存泄漏。所以应该采用代码2的方式来操作。
3. 常见的动态内存错误
3.1 对NULL指针的解引用操作
void test()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}
3.2 对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (NULL == p)
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
for (i = 0; i <= 10; i++)
{
*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);//ok?
}
注意：free函数只能对我们开辟的动态内存进行释放操作！
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
p++指针后移，释放时只释放了原来的p+1之后的内存，导致原来p所指向的内存没有释放，造成内存泄漏。
3.5 对同一块动态内存多次释放
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
注意：同一块内存空间只能释放一次。
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while (1);
}
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
切记：
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。
4. 动态内存经典笔试题
4.1 题目1
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
该代码有什么问题？
- 程序代码运行会出现奔溃现象
- 程序存在内存泄漏问题
原因：
- str以值传递的形式传给p，p是GetMemory的形参，对p的改变，不会影响到str。在GetMemory函数结束后，动态开辟内存尚未释放，并且无法找到，所以会造成内存泄漏。
- GetMemory函数结束之后str仍然为NULL，将
"hello world"放入空指针指向的空间，最后程序必然会崩溃。
代码改正：
#include 4.2 题目2
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
该代码有什么问题？
- 内存非法访问
原因：
- GetMemory函数内部创建p数组，并返回p的地址，在函数内部返回栈空间的地址是有问题的，局部变量出了函数之后自动销毁，出了函数后对局部变量p的访问就是非法的，所以之后在打印str的值时，打印的结果就成为了随机值。
4.3 题目3
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
该代码有什么问题？
- 内存泄漏
原因：
- 忘记释放malloc动态开辟的内存导致内存泄漏。
代码改正：
#include 4.4 题目4
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
该代码有什么问题？
- 内存非法访问
原因：
- free(str)后，我们将动态开辟的内存就已经释放掉，还给操作系统了，我们无法进行操作了。但是p并未置为NULL，所以str还记得指向的动态内存的地址，这块内存已经不属于我们了，我们还要将
"world"拷贝进入这块内存，这就属于非法访问内存。
5. C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
2. 堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似于链表。
3. 数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
到此我们就能很好的理解static关键字的修饰局部变量的作用了
实际上，普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。
但是，被static 修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在静态区创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期会变长。
6. 柔性数组
也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。
在C99中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
有些编译器可能会报错无法编译，可以改成：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
6.1 柔性数组的特点
- 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
- sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
- 包含柔性数组成员的结构用malloc函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
6.2 柔性数组的使用
//代码1
int i = 0;
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
这样的柔性数组成员a，相当于获得了一个100个整型元素的连续空间。
6.3 柔性数组的优势
上述的type_a结构也可以设计为：
//代码2
typedef struct st_type
{
int i;
int* p_a;
}type_a;
type_a* p = malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
//业务处理
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
上述代码1和代码2可以完成同样的功能，但是方法1的实现有两个好处：
1. 方便内存释放
- 如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给
用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你
不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好
了，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。2. 减少内存碎片，提高内存的使用率
- 代码2的malloc次数多，内存碎片增多，内存使用率低。并且代码2维护难度加大，容易出错，访问速度也相对较慢。
到此，关于《动态内存管理》的内容就结束了
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